基于Multisim11的音乐彩灯控制器的仿真设计

毕业设计（论文）任务书
基于Multisim11的音乐彩灯控制器的仿真设计摘要:如今的大千世界随着生活水平的不断提高，人们对环境的美化要求越来越高，在一些公
园、广场等公共娱乐场所，音乐彩灯是必不可少的装饰品。

基于现代城市对彩灯控制的要求，本文详细阐述了音乐彩灯控制器的结构和功能，并对各组成部分的工作原理进行了比较详细的分析，而且对各组成部分的附加元件的参数设定也做了较为严密的计算。

关键词：彩灯；控制器；整流滤波；高通滤波；低通滤波。

Multisim11 Based Music Colored Light Controller Design And Simulation Abstract:Based on the demand of modern urban colored light control, the concept and construction on the music colored light controller are stly,the principle of ever section is discussed.Furthermore, the paramenter of additional element is calculated tightly.
Key words:Colored light;Controller;Rectification strains waves;The high pass strains waves;Low strains waves.
目录
1. 绪论 (1)
2. 音乐大小控制彩灯 (2)
2.1 彩灯控制器原理框图 (2)
2.2 电路设计 (2)
2.2.1声电转换和放大电路 (2)
2.2.2 整流滤波电路 (3)
2.2.3 高通/低通滤波电路 (5)
2.2.4 驱动电路 (8)
2.2.5 整机电路 (8)
3. 软件仿真 (9)
4. 总结 (13)
参考文献 (14)
致谢 (15)
1. 绪论
随着现代社会经济的飞速发展和夜市的兴起，各种彩灯装饰层出不穷，给城市的夜间带来绚丽的色彩。

夜间漫步于城市的每一个角落，触目可及变幻莫测、摇曳生姿的各式彩灯，无一不诱惑着人们好奇的双眼。

门面店铺灯光装潢大都采用时明时暗或部分循环点亮的流水模式，有新意的要属那些旋转上升变化的广告装饰灯。

在公园里有树状的彩灯，它从底部开始亮起，然后快速沿枝干向上窜升，到达顶端后向各处散开，远远望去犹如仙女散花，煞是好看。

有音乐的娱乐场所，比如说舞厅，酒吧间和咖啡厅的彩灯会随着悠扬的音乐闪烁生辉，这些场所的灯光一般比较幽暗，更加显得彩灯扑朔迷离、捉摸不定，一如可望而不可即的魑魅。

而气势磅礴、规模宏大的当然是大型的节日彩灯，把许多组彩灯进行不同的组合，便得到花样众多的主题字型或代表喜庆吉祥的图案。

这些彩灯不仅增添了节日的气氛，而且丰富了人们多姿多彩的生活。

本文介绍的彩灯控制器是一种组合式彩灯控制电路。

由它控制的彩灯有一路会按音量的强弱变化，音量强时灯被点亮的数目增多；另一路则按音调的高低变化，低音时，某一部分灯被点亮，高音时，另一部分灯被点亮。

这样组合起来会使人觉得彩灯随着乐曲起伏闪烁。

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2. 音乐大小控制彩灯
2.1 彩灯控制器原理框图
音乐彩灯控制器如图2.1所示，它由以下几个部分组成：声电转换装置和放大电路；整流滤波电路；高通/低通滤波电路；彩灯驱动电路。

它控制两路彩灯伴随乐曲而闪烁发光。

图2.1所示的音乐彩灯控制器的工作过程是：声电转换装置将乐曲声响转变为电信号，经放大器放大后分为两路。

一路经整流滤波后以信号的平均值驱动彩灯发亮，信号强，则灯的亮度大，且点亮灯的数目增多，实现声音强弱对彩灯的控制；另一路经高通/低通滤波器后分频段输出信号，又经放大驱动相应的发光二极管发光，实现高低音对彩灯的控制。

图2.1 音乐彩灯控制器原理框图
2.2 电路设计
2.2.1声电转换和放大电路
声电转换和放大电路的功能有两个：一是将音乐信号转换成音频信号，即电信号；二是将电信号放大后输出。

它由声电转换装置、话音放大电路和集成功率放大电路三部分组成。

图2.2 话音放大电路图2.3 LA4102的引脚排列
如图2.2所示的话音放大电路是由LM324组成的同相放大器和一些外部元件构成，具有很高的输入阻抗，能与高阻话筒配接完成声电转换和话音放大功能。

图中V i加至同相端，输出信号V o1仍通过R12、R11返回反相端，形成深度电压串联负反馈。

根据理想
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运放工作于线性区的两条结论和图中电路可以看出：
-V =112
1111
o V R R R + +V = i V
因为 +
-=V V
所以 i V
=
112
1111
o V R R R +
即 1o V = i V R R R 111211+ = （1+11
12
R R ）i V 故该电路的电压放大倍数为：
A v1 = i
o V V 1 = 1+1112
R R = 10（20dB ）
集成功率放大电路是将LA4102集成功放接成OTL 形式的电路如图2.4所示。

它的主要功能是将话音放大电路输出的信号V o1再进行放大，以满足我们所需的电压增益要求。

集成功放LA4102的引脚排列如图2.3所示。

其外部元件的作用如下：
图2.4功率放大电路
①
R F 、C F 与内部电阻R 11
（20k Ω）组成交流反馈支路，控制功放级的电压增益A V2。

由于LA4102是由同相放大器组成，根据同相放大器的增益计算可知： A V2=1+R 11/R F
因为R 11/R F 的值较大，所以A V2≈R 11/R F =40。

②
C B 为相位补偿电容。

C B 减小，带宽增加，可消除高频自激。

C B 一般取几十皮法
至几百皮法（此电路取C B =51pF ）。

③ C C 为OTL 电路的输出端电容，两端的充电电压等于V cc /2，C C 一般取耐压值远大于V cc /2的几百微法的电容（此电路C C 取470μF/25V ）。

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④C D为反馈电容，消除自激振荡，C D一般取几百皮法（此电路取C D=560pF）。

⑤C H为自举电容，使内部复合管T12、T13的导通电流不随输出电压的升高而减小
（此电路取C H=220μF）。

⑥C23、C24可滤波除纹波，一般取几十微法至几百微法（此电路取C23=220μF，
C24=100μF）。

⑦C22为电源退耦滤波，可消除低频自激（此电路取C22=220μF）。

整个声电转换和放大电路的工作过程：音频信号V i经LM324放大后，获得同相输出电压V o1，其电压增益A V1=10；V o1作为输入信号加到LA4102的同相输入端，获得同相输出电压V o2，其电压增益A V2=40。

因为音乐信号经话筒转换为电信号后输出电压为5mV左右，所以最后的输出电压为V o2=5×10×40mV=2000mV=2V。

2.2.2 整流滤波电路
如图2.5所示为半波整流滤波电路，它包括一个整流二极管和一个滤波电容两部分。

由放大器输出端输出的电压V o2经整流二极管整流后变换成单向脉动直流电压，后又经滤波电容减小输出电压中的纹波成分，降低脉动系数而变成平滑的直流电压V o3输出。

图2.5整流滤波电路
在V o2正半周到来时，二极管导通，输出电压V o3= V o2-V D（V D为二极管的导通电压），V o3只比V o2低一个二极管的正向压降V D。

当V o2低于V o3时,二极管截止,若忽略二极管的
反向饱和电流,则电容C只通过负载放电,输出电压
随时间指数下降。

当输出电压比输入电压低一个V D时,二极管导通,电容C被充电,输出电压很快上升。

到输入电压低于输出电压时,二极管又被反偏截止,电容开始放电。

由此可知:
①只有在V o2比V o3大一个正向压降V D时,二极管才有电流流通。

该电流的一部分
流过负载,一部分给电容充电,充电量等于电容在二极管截止期间向负载的放电量。

但二极管的导通时间很短,所以流过二极管的浪涌电流比较大。

如果恰巧在输入电压的峰值时接入电路,此时电容上的电压为零,则二极管的瞬间电流将更大。

②这种滤波能得到较平滑的直流电压。

当负载开路时,若忽略二极管的正向压降,
则输出电压等于输入交流电压的峰值,即V o3=2V o2=22V。

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③由电路图可知,二极管所承受的反向电压等于输出与输入电压之差,即
V R=V o3-V o2=22-2≈0.808V。

最大反峰电压约为输出电压的两倍,即V RM=2V o3=42V。

2.2.3 高通/低通滤波电路
由运算放大器构成的高通/低通滤波电路如图2.6所示，它由高通滤波器和低通滤波器两部分组成。

高通滤波器使低于特定截止频率f c的所有频率衰减，而让高于f c的频率通过；低通滤波器则相反，它使高于特定截止频率f c的所有频率衰减，而让低于f c的频率通过。

语言或音乐是频率处于20-2000Hz之间的声振动，因此取高通/低通滤波器的截止频率为f c=1kHz。

此电路的高通滤波器是一个二阶无限增益多路反馈有源RC滤波器。

信号从反向端输入，电容C31和R31电阻构成一个分压器。

当V o2的频率低于f c时，C31的容抗很大，降压大部分V o2，R31上的电压降很小，并且由于电路是跟随器，所以V H 也低；当V o2的频率增加到高于f c时，C31的容抗很小，使更多的V o2降到R31上，因此V H变得较大。

图2.6高通/低通滤波电路
通用运算放大器F007引脚安排如图2.7所示：
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图2.7通用运算放大器F007引脚
设定高通滤波器的增益A V =1，品质因数Q=α
1
=0.707（α为衰减系数），则高通滤波
器的各特性参数为： A V =
33
31
C C 33
323231012C C R R f c =
=πω
()32
33
333233
323132
31
C C C C C C C R R ++
=
α
① 根据f c =1kHz ，取C 31=C 32=0.1μF=C ；
② 由A V =1可得电容C 33=C 31/A V =0.1μF ；
③ R 31 = )21(1
0V A C +αω
= Q C
f c π21（1+2A V ）
= 0.707×)21(10
1.0100021
6
+⨯⨯⨯-π = 3376Ω
≈3.4k Ω ④ R 32 =
)
21(0V V
A C A +ωα
=
)
1(2V c V
A C f Q A +π
=3
101.01000707.021
6⨯⨯⨯⨯⨯⨯-π ≈750Ω
此电路的低通滤波器部分是一个二阶无限增益多路反馈有源RC 滤波器。

电路接成
一个电压跟随器，在反向输入端的电阻
R 33和电容C 34构成一个分压器。

对于低于f c 频
率的V o2，电容的容抗很大，几乎所有的V o2都降到C 34上，V o2大，V L 也大，对于这些较
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低频率的输入信号，级增益最大；如果V o2的频率增加到高于f c ，电容器的容抗减小，大部分V o2降到电阻上，结果，电容把较多的V o2分流到地，则V o2小，V L 也小。

设定该低通滤波器的增益A V =1，品质因数Q=α
1
=0.707（α为衰减系数），则低通滤
波器的各特性参数为：
A V =33
35R R
35
34353401
2C C R R fC ==πω
(
)34
353335
343534
34
35R R R R R R R C C ++=
α
① 根据f c =1kHz ，取C 34=0.1μF=C ，则C 35=κC=0.2C=0.02μF ；
② R 35 =()⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎣⎡
+-±2
014112ακκωαV A C =()[
]2141141Q A C
f Q V c +-±κκπ =()[
]
26
707.0112.041110
10002.0707.041
⨯+⨯⨯-±⨯⨯⨯⨯⨯-π
计算可得： R 35=8146Ω≈8.1k Ω 或 R 35=3109Ω≈3.1k Ω ③ R 33===3535R A R
V
8.1k 或3.1k
④ R 34=2
20351
C
R κω =
()2
23521
C
f R c πκ 将R 35=8.1k 和 R 35=3.1k 分别代入可得： R 34=1563Ω≈1.6k Ω
或 R 34=4085Ω≈4.1k Ω
根据以上计算，我们取其中一组数据，即：
R 35= R 33=8.2k Ω， R 34=1.5k Ω。

高通/低通滤波电路将输入信号V o2分两个频段输出，即高通滤波器让频率高于
1kHz 的输入信号通过，再经放大后驱动其中一部分彩灯发亮；而低通滤波器则让低于1kHz 的输入信号通过，经放大后驱动另一部分彩灯发亮。

由此达到以高、低音控制彩
灯的目的。

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2.2.4 驱动电路
彩灯驱动电路有两种：一种是经整流滤波后以信号的平均值驱动彩灯发亮的驱动电路如图2.8所示；另一种是以经高通/低通滤波器分频后的输出信号驱动彩灯发亮的驱动电路如图2.9所示。

图2.8所示的驱动电路由三电压比较器和一些外部元件组成。

V o3作为输入信号从三比较器的同相端输入，其参考电压V R1、V R2和V R3由电源V cc =5V 经4个电阻分压给出，
则V R1= cc V 83，V R2=cc V 41，V R3= cc V 8
1。

当V R3<V o3<V R2时，比较器C 3输出高电平，驱动输出端与地之间的两个发光二极管发光；
当V R2<V o3<V R1时，比较器C 2输出高电平，驱动输出端与地之间的四个发光二极管发光；
当V o3> V R1时，比较器C 1输出高电平，驱动输出端与地之间的六个发光二极管发光。

根据以上分析可知以信号的平均值驱动彩灯发亮，信号强时，点亮的灯的数目越多，从而达到以信号强弱控制彩灯的目的。

图2.9所示的驱动电路由一个放大器和一个二电压比较器构成。

经高通滤波器或低通滤波器输出的信号从放大器的同相输入端输入，因为放大器是一个同相放大器，根据同相放大器的增益计算公式可知：A V =1+R 5f /R 51=4,所以输出电压为2×4=8V 。

再经一个二电压比较器驱动彩灯发亮，其原理与前面所讲的一样。

图2.8驱动电路I 图2.9驱动电路Ⅱ
2.2.5 整机电路
经过以上几个单元电路的设计，可以得到音乐彩灯控制器的整机电路，如图 2.10
所示。

图2.10音乐彩灯控制器的整机电路
3. 软件仿真
整体设计完成后，我们要进行的第一步工作就是软件仿真，测试其性能。

用的软件
是Multisim 11 软件，他的仿真功能十分强大。

首先调试分电路，在分电路调试完成后在调试总电路。

调试方法：首先在软件中画好电路图，然后检查电路中各元件是否连接正确，连接
正确的情况下加入信号，由于此软件不能直接加入音乐信号，所以用正弦（音频电信号
是由许多的正弦波叠加而形成）代替，加入信号后观察彩灯的闪亮情况，遇到不正常时
及时修改。

用函数信号发生器代替话筒做输入源，例如：输入源的数据如图3.1所示：
图3.1输入源的数据
这样的输入源数据前提条件下，整流滤波电路图最后结果显示如图3.2所示：
图3.2整流滤波电路图最后结果显示
注：在整流滤波电路里，因为是针对音量的强弱（其实就是指产生的电压），所以灯要是亮了，就是常亮着的，以便我们看出它的音量强与弱。

这样的输入源数据前提条件下，高/低通滤波电路图的最后结果显示如图3.3所示：
图3.3高/低通滤波电路图的最后结果显示
注：在高/低通滤波电路里，因为是针对音调的高低频率，所以灯是闪烁的，闪烁的快慢也同时可以从中看出它的频率高与低。

4. 总结
这次的设计主要是应用数字电路和模拟电路的知识来设计音乐彩灯控制器。

通过自己努力和老师给予适当的指导，独立完成电子线路的设计及装调，有利于能系统的培养对多门相关课程知识的综合运用能力，逐步提高理论设计能力，以适应当前电子技术迅速发展与广泛应用的需要。

这次的毕业设计，也是一种对耐心的考验，为以后的工作奠定了一定的基础，这是一次很有意义的设计。

参考文献
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致谢
由于初次将自己所学的知识应用于实践，其综合性和应用性比较强，所以在查找资料、进行电路设计的时候得到很多老师同学的帮助和鼓励，期间在用Multisim10仿真的时候突然所有工具栏以及元件库全部消失，无法复原，幸得许燕萍老师、李学明老师以及赵桂云老师的耐心地帮忙重装尝试多次，最终在许燕萍老师提供Multisim11安装包下，安装完Multisim11，从而让我能完成最后的Multisim11仿真，在此我衷心地向他们致谢。

在本论文完成之际，我要特别感谢我的指导老师赵桂云老师的热情关怀和悉心指导。

在我撰写论文的过程中，从论文的修改、论文的架构拟定到最终定稿，她给予了殷切的指导，提出了许多宝贵的意见，在此表示真诚地感谢和深深的谢意。